转子支架的三维建模及有限元仿真
摘 要转子支架是电机运行的一个重要构成部件，被普遍地运用在水轮发电机中和其他的小型发电机中，其工作机能与性质与人们生活的利益息息相关。转子支架是电机中的重要构件，受到很多力的影响。当承受不同的载荷时，转子支架局部应力会出现变化和不同程度的变形，这会影响其使用期限和工作质量。有限元法是一种用来求解多种工程力学问题的一种数值方法。有限元法被普遍地运用于很多工程问题中。它的基本思想是将原本复杂的构造看成一个由有限个单元仅通过节点处联接的整体。利用有限元法分析模型构造，可以节省大量的人工计算时间，并且可以很方便地通过分析计算确定优化的方案，从而实现从理论到实践的应用。本文以转子支架为研究对象，根据已有的二维图纸利用UG软件建立转子支架的三维模型,然后把模型导入有限元软件中。基于有限元分析软件，定义网格单元类型、设定支架属性、给定边界条件及进行加载，然后完成对转子支架的网格划分以及相关计算。通过对转子支架的静力学有限元仿真，从而得出其应力和位移分布情况。然后可以对转子支架进行结构优化以降低其局部应力。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究的目的及意义 1
1.2转子支架的国内外发展现状 1
1.3 转子支架的主要研究内容 2
第二章 有限元软件的概述 4
2.1有限元软件的历史发展 4
2.2有限元软件的简介 4
2.2.1 ABAQUS软件简介 4
2.2.2 Hypermesh软件简介 4
第三章 转子支架的三维建模 6
3.1建模工具的选择 6
3.2转子支架的建模 6
3.3转子支架的简化 7
第四章 转子支架的有限元仿真 8
4.1转子支架模型的导入 8
4.2转子支架的网格划分 8
4.3转子支架的属性设置 8
4.4转子支架的边界条件及载荷设定 9
4.5转子支架的计算结果 9
结束语 11
致 谢 12
参考文献 13
绪论
1.1研究的目的及意义
转子支架的工作机能与性质与人们生活的利益
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
息息相关，它是电机运行的一个重要构成部件，被普遍地运用在水轮发电机中和其他的小型发电机中。因此有必要对转子支架自身的性能与结构进行一个探讨与研究，优化结构后可以增加其工作运行的期限，提高运行效率。电机能否正常高效的运行与转子支架结构设计是否合理存在必然的联系。因为转子是电机内部运行的主要的构成部分，而转子内最主要的承受各种力的部件是转子支架。因此对转子支架进行研究具有现实意义。
发电机内部的磁轭和转轴是通过转子支架联接成为一个整体的。转子支架是电机正常运行的重要部件，受力复杂。电机正常运转时转子支架要受到多种载荷的影响，主要的比如磁轭跟磁极的重量、电磁力矩、自身的离心力等等。本论文就是对转子支架进行静力学方面的有限元分析，然后在给转子支架施加扭矩后得到其应力分布及位移分布图，然后找出其最容易受到变形的部位，并对其提出结构优化方法，从而提高转子支架的工作性能。对转子支架进行建模并利用有限元法进行分析，可以对转子支架的工作性能有一些了解。除此之外，也可以熟悉并掌握Hypermesh和abaqus软件的使用，还可以了解有限元法的基本理论。
1.2转子支架的国内外发展现状
电机发展到现在已经有悠久的历史，尽管电机类型发展到现在已经多种多样，但是它的工作原理仍是一样的，即利用电磁转换来实现电能向机械能的转变。转子支架也一直是电机运行时不可缺少的重要部件。电机能否正常高效的运行与转子支架结构的优劣和质量的高低有很大的关系，因此不论国内还是国外都以转子支架为对象做出了不少贡献，提出了各种解决优化方案，这不仅可以提高转子支架的使用寿命和工作性能，还可以保证其在电机运行时的安全性。
国内外对转子支架的有限元分析通常是比较其在额定工况及飞逸工况下的各部件所受应力与变形。前苏联制造大型水轮发电机的转子支架中心体为轮毅式焊接结构，西屋公司为大古力电站制造的600MW发电机的转子支架采用了支臂一圆盘式转子支架结构[1]。在上个世纪80年代，为了在电机中能让转子支架的可卸结构得到实际运用，前苏联工程师尼留切夫、华西列也夫等针对其可卸结构进行了一项试验。他们在格古莫斯克水电站装上了三台电机，每台电机都安装了具有可卸结构的转子支架，并且每台电机达到64000千瓦的容量。如果不运用这一结构，则会多使用一台250吨天车，也将增加工程的成本，使资源得不到合理的分配[2]。
当然国内对转子支架这一部件也有很丰富的研究，比如2005年广西大学的沈炜良等人主要围绕转子支架的静态强度和动态特性在水轮发电机中的情况。研究对象为转子支架原结构及优化后的结构，研究手段包括静态强度和动态特征分析、现场动态应力和焊缝残余应力测试等，发现改进型腹板最大应力下降58%，交变应力也有很大下降，从而验证了改进方案的合理性[3]。2009年，张学玲、唐毅等利用有限元分析软件对转子支架结构提出优化设计。将原转子支架和其它三种改进的转子支架进行比较，具体分析了其在静态和动态下的情况（修改方案1：加大筋板厚度；修改方案2：在1的基础上，两边加上环板；修改方案3：改变结构形状，增加平行于端面的筋板）。分析比较可知，在额定工况与飞逸工况下，修改方案1虽然加厚了筋板，但是转子支架的质量也随之增加，转动时离心力也会增加，因此对转子支架结构应力及变形没有改善。修改方案2在不改变筋板厚度的前提下加对称环板，结果表明在飞逸工况下结构静刚度有所改善，但正常额定工况下改善不明显，变形甚至更大。修改方案3最大应力和最大变形都得到很大程度的改善，说明此方案最合理[4]。2010年，杨德马利用有限元分析软件ANSYS研究了水轮发电机斜支臂转子支架结构，发现转子支架的最大等效应力在达到27.5°倾斜度时最低，这为设计斜支臂转子支架结构降低其最大等效应力提供了参考依据[5]。
国内部分学者对转子支架进行了静力学和动力学的研究，转子支架虽然不直接作用于人们的生活，但是却与人类的利益息息相关。因此每年对于转子支架的研究都有很多。2011年，张磊对惯流水轮发电机转子支架三种结构进行了研究，发现小型电机是运用腹板式转子支架，因为其结构简单；径向筋腹板式转子支架的工作性能一直较高，经常被用于很多水电站的发电机中，事实也证明其工作状况良好，国内一些主流机械厂常年采用径向筋腹板式转子支架；而斜筋式新型转子支架结构需要进行优化，虽然其额定运作工况不错，但当其转速变高时转子支架会产生较大的变形[6]。通常对机械部件建模是创建草图然后赋予草图特性，然后依次进行建模，但缺点是创建的草图尺寸在不同的平面内各自独立。但在2012年，崔东英提出参数化建模的方式，这一建模方法使计算过程得到简化，关键是打破了不同平面内的草图尺寸相互独立的情况。这可以使转子支架三维模型的创建化繁为简[7]。2014年，王铭等人研究了静止及飞逸两种工况下的斜支臂和径向支臂转子支架的情况，发现斜支臂转子支架的径向位移绝对值大于径向支臂转子支架；在额定工况下，斜支臂转子支架受到额定扭矩和自身离心力的影响，会发生转动然后往外扩张，因此斜支臂转子支架的残余热打紧量值小于径向支臂转子支架，在静止工况下，径向支臂转子支架所受应力远远大于斜支臂转子支架所受应力。在额定运行和飞逸运行工况下，2种结构的应力值相近[8]。
以上简单介绍了国内外研究大型电机转子支架的进展，这些研究对静力学分析较少，主要是分析研究转子支架在额定和飞逸工况下的应力和变形分布情况，然后提出优化方案。有限元软件随着时代发展得到很好的运用，通常研究零件结构时先建立三维模型，然后运用有限元软件通过对零件施加不同载荷，然后得到额定工况、飞逸工况或者其他工况下的应力和位移的分布。运用有限元软件对转子支架进行理论上的分析计算能够为研究工作节省大量的时间，并且能够得到更准确的分析结果。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究的目的及意义 1
1.2转子支架的国内外发展现状 1
1.3 转子支架的主要研究内容 2
第二章 有限元软件的概述 4
2.1有限元软件的历史发展 4
2.2有限元软件的简介 4
2.2.1 ABAQUS软件简介 4
2.2.2 Hypermesh软件简介 4
第三章 转子支架的三维建模 6
3.1建模工具的选择 6
3.2转子支架的建模 6
3.3转子支架的简化 7
第四章 转子支架的有限元仿真 8
4.1转子支架模型的导入 8
4.2转子支架的网格划分 8
4.3转子支架的属性设置 8
4.4转子支架的边界条件及载荷设定 9
4.5转子支架的计算结果 9
结束语 11
致 谢 12
参考文献 13
绪论
1.1研究的目的及意义
转子支架的工作机能与性质与人们生活的利益
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
息息相关，它是电机运行的一个重要构成部件，被普遍地运用在水轮发电机中和其他的小型发电机中。因此有必要对转子支架自身的性能与结构进行一个探讨与研究，优化结构后可以增加其工作运行的期限，提高运行效率。电机能否正常高效的运行与转子支架结构设计是否合理存在必然的联系。因为转子是电机内部运行的主要的构成部分，而转子内最主要的承受各种力的部件是转子支架。因此对转子支架进行研究具有现实意义。
发电机内部的磁轭和转轴是通过转子支架联接成为一个整体的。转子支架是电机正常运行的重要部件，受力复杂。电机正常运转时转子支架要受到多种载荷的影响，主要的比如磁轭跟磁极的重量、电磁力矩、自身的离心力等等。本论文就是对转子支架进行静力学方面的有限元分析，然后在给转子支架施加扭矩后得到其应力分布及位移分布图，然后找出其最容易受到变形的部位，并对其提出结构优化方法，从而提高转子支架的工作性能。对转子支架进行建模并利用有限元法进行分析，可以对转子支架的工作性能有一些了解。除此之外，也可以熟悉并掌握Hypermesh和abaqus软件的使用，还可以了解有限元法的基本理论。
1.2转子支架的国内外发展现状
电机发展到现在已经有悠久的历史，尽管电机类型发展到现在已经多种多样，但是它的工作原理仍是一样的，即利用电磁转换来实现电能向机械能的转变。转子支架也一直是电机运行时不可缺少的重要部件。电机能否正常高效的运行与转子支架结构的优劣和质量的高低有很大的关系，因此不论国内还是国外都以转子支架为对象做出了不少贡献，提出了各种解决优化方案，这不仅可以提高转子支架的使用寿命和工作性能，还可以保证其在电机运行时的安全性。
国内外对转子支架的有限元分析通常是比较其在额定工况及飞逸工况下的各部件所受应力与变形。前苏联制造大型水轮发电机的转子支架中心体为轮毅式焊接结构，西屋公司为大古力电站制造的600MW发电机的转子支架采用了支臂一圆盘式转子支架结构[1]。在上个世纪80年代，为了在电机中能让转子支架的可卸结构得到实际运用，前苏联工程师尼留切夫、华西列也夫等针对其可卸结构进行了一项试验。他们在格古莫斯克水电站装上了三台电机，每台电机都安装了具有可卸结构的转子支架，并且每台电机达到64000千瓦的容量。如果不运用这一结构，则会多使用一台250吨天车，也将增加工程的成本，使资源得不到合理的分配[2]。
当然国内对转子支架这一部件也有很丰富的研究，比如2005年广西大学的沈炜良等人主要围绕转子支架的静态强度和动态特性在水轮发电机中的情况。研究对象为转子支架原结构及优化后的结构，研究手段包括静态强度和动态特征分析、现场动态应力和焊缝残余应力测试等，发现改进型腹板最大应力下降58%，交变应力也有很大下降，从而验证了改进方案的合理性[3]。2009年，张学玲、唐毅等利用有限元分析软件对转子支架结构提出优化设计。将原转子支架和其它三种改进的转子支架进行比较，具体分析了其在静态和动态下的情况（修改方案1：加大筋板厚度；修改方案2：在1的基础上，两边加上环板；修改方案3：改变结构形状，增加平行于端面的筋板）。分析比较可知，在额定工况与飞逸工况下，修改方案1虽然加厚了筋板，但是转子支架的质量也随之增加，转动时离心力也会增加，因此对转子支架结构应力及变形没有改善。修改方案2在不改变筋板厚度的前提下加对称环板，结果表明在飞逸工况下结构静刚度有所改善，但正常额定工况下改善不明显，变形甚至更大。修改方案3最大应力和最大变形都得到很大程度的改善，说明此方案最合理[4]。2010年，杨德马利用有限元分析软件ANSYS研究了水轮发电机斜支臂转子支架结构，发现转子支架的最大等效应力在达到27.5°倾斜度时最低，这为设计斜支臂转子支架结构降低其最大等效应力提供了参考依据[5]。
国内部分学者对转子支架进行了静力学和动力学的研究，转子支架虽然不直接作用于人们的生活，但是却与人类的利益息息相关。因此每年对于转子支架的研究都有很多。2011年，张磊对惯流水轮发电机转子支架三种结构进行了研究，发现小型电机是运用腹板式转子支架，因为其结构简单；径向筋腹板式转子支架的工作性能一直较高，经常被用于很多水电站的发电机中，事实也证明其工作状况良好，国内一些主流机械厂常年采用径向筋腹板式转子支架；而斜筋式新型转子支架结构需要进行优化，虽然其额定运作工况不错，但当其转速变高时转子支架会产生较大的变形[6]。通常对机械部件建模是创建草图然后赋予草图特性，然后依次进行建模，但缺点是创建的草图尺寸在不同的平面内各自独立。但在2012年，崔东英提出参数化建模的方式，这一建模方法使计算过程得到简化，关键是打破了不同平面内的草图尺寸相互独立的情况。这可以使转子支架三维模型的创建化繁为简[7]。2014年，王铭等人研究了静止及飞逸两种工况下的斜支臂和径向支臂转子支架的情况，发现斜支臂转子支架的径向位移绝对值大于径向支臂转子支架；在额定工况下，斜支臂转子支架受到额定扭矩和自身离心力的影响，会发生转动然后往外扩张，因此斜支臂转子支架的残余热打紧量值小于径向支臂转子支架，在静止工况下，径向支臂转子支架所受应力远远大于斜支臂转子支架所受应力。在额定运行和飞逸运行工况下，2种结构的应力值相近[8]。
以上简单介绍了国内外研究大型电机转子支架的进展，这些研究对静力学分析较少，主要是分析研究转子支架在额定和飞逸工况下的应力和变形分布情况，然后提出优化方案。有限元软件随着时代发展得到很好的运用，通常研究零件结构时先建立三维模型，然后运用有限元软件通过对零件施加不同载荷，然后得到额定工况、飞逸工况或者其他工况下的应力和位移的分布。运用有限元软件对转子支架进行理论上的分析计算能够为研究工作节省大量的时间，并且能够得到更准确的分析结果。
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